Виды пробоя твердых диэлектриков

Общие определения

При увеличении напряжения, приложенного к диэлектрику (рис.22. 1), при некотором его значении U _пр происходит резкое увеличение тока сквозной проводимости I _ск и резкое уменьшение электрического сопротивления материала до такого значения, при котором происходит короткое замыкание электродов. Диэлектрик утрачивает электроизоляционные свойства.

Рис.22.1.Зависимость тока сквозной проводимости в диэлектрике от напряжения:

U _пр– напряжение пробоя

Явление, при котором диэлектрик теряет свои электроизоляционные свойства под действие приложенного электрического поля, называется пробоем.

Пробой диэлектрика характеризуют следующими параметрами.

Напряжение пробоя (U _пр) – напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика.

Электрическая прочность (Е _пр ) - напряженность электрического поля, при которой происходит пробой диэлектрик:

Е _пр = U _пр / h, В/м, (1)

где h - толщина диэлектрика.

Коэффициент запаса электрической прочности:

к = U _пр / U _раб, (2)

где U _раб – рабочее напряжение.

Для надежной работы электрической изоляции должно выполняться условие: к >1.

Пробой твердого диэлектрика по его поверхности называется перекрытием. В этом случае происходит пробой газа или жидкости, окружающей твердый диэлектрик (рис. 22.2).

Рис.22.2.Схема пробоя и перекрытия диэлектрика:

1– диэлектрик, 2 - электроды

Электрический (электронный) пробой

Пробой возникает в результате процесса электронной ударной ионизации.

Электронная ударная ионизация заключается в передаче энергии электронов, движущихся с высокой скоростью под действием электрического поля, атомам, ионам или молекулам диэлектрика.

В результате ударной ионизации в диэлектрике между электродами создается сплошной плазменный канал (стример) с высокой электропроводностью, состоящий из электронов и положительных ионов. Электрический пробой возникает при следующем условии:

W _э = e λ E ≥ W _и, (3)

где W _э – энергия электрона; e – заряд электрона; λ – средняя длина свободного пробега электрона – расстояние, которое проходит электрон от одного соударения с атомом, ионом или молекулой диэлектрика до другого соударения; W _и – энергия ионизации диэлектрика.

Для газов при электрическом пробое Е _пр ≈ 10⁶ В /м, у жидких диэлектриков – до 10⁸ В /м, у твердых диэлектриков – до 10⁹ В /м. Увеличение электрической прочности связано с тем, что плотность твердых и жидких диэлектриков больше плотности газов, длина свободного пробега электронов λ в них поэтому меньше, чем в газах и для достижения одной и той же энергии электрона W _э требуется большая напряженность электрического поля E (см. формулу 1).

Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние диэлектрических потерь, обуславливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений.

Электротепловой (тепловой) пробой

Пробой имеет место, если количество тепла, выделяющегося в диэлектрике в результате диэлектрических потерь (q _выд), превышает количество тепла обводимого от элемента диэлектрика в окружающую среду (q _отв):

q _выд > q _отв.. (4)

В результате диэлектрик нагревается до температур, при которых происходит его проплавление, обугливание или растрескивание.

При постоянном напряжении:

q _выд = Е ²/ρ _v, вт/м³, (5)

где Е – напряженность электрического поля, Е = U / h, U - напряжение, h – толщина диэлектрика, ρ _v – удельное объемное сопротивление диэлектрика.

При переменном напряжении:

q _выд = ε tgδ f Е ² / 1,8∙10¹⁰, вт/м³, (6)

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, δ – угол диэлектрических потерь, f – частота приложенного напряжения.

Количество тепла, обводимого от элемента диэлектрика:

q _отв = k S _эл (T – T₀ ), вт/м³, (7)

где k – коэффициент теплопередачи от системы диэлектрик – электроды в окружающую среду;

k ≈ η / h; (8)

η – коэффициент теплопроводности диэлектрика; S – площадьэлектрода; T – температура диэлектрика; T ₀ – температура окружающей среды.

При тепловом пробое Е _пр рассчитывают, исходя из условия:

q _{выд =} q _отв. (9)

C учетом (4, 5) для постоянного напряжения получим:

_. (10)

а для переменного напряжения, учитывая (6,7):

_. (11)

Электрохимический пробой (электрическое старение)

Пробой включает два этапа: предпробойный период и собственно пробой. В первый период происходит медленное изменение химического состава и структуры диэлектрика под действием электрического поля, сопровождающееся уменьшением его электрического сопротивления. При уменьшении сопротивления до критического уровня происходит тепловой или электрический пробой диэлектрика.

Время жизни диэлектрика – период времени от начала эксплуатации диэлектрика до его пробоя в результате электрохимического старения. Время жизни диэлектрика уменьшается при увеличении напряженности электрического поля и температуры.

Ионизационный пробой

Этот вид пробоя является разновидностью электрического пробоя. Возникает в результате ионизации и пробоя газовых пор в твердом диэлектрике (частичных разрядов). В результате частичных разрядов в пористом твердом диэлектрике из воздуха, содержащегося в порах, образуются сильные окислители - озон и оксиды азота, которые химически разрушают диэлектрик. Электроны и ионы, бомбардирую стенки пор, разрушают диэлектрик механически. Нагрев диэлектрика под действием частичных разрядов вызывает его термическое разрушение.

Электромеханический пробой

Наблюдается, например, в двужильных проводах с полимерной изоляцией выше температуры стеклования полимера. Под действием сил электростатического притяжения, возникающих между металлическими проводниками, происходит механическое сдавливание диэлектрика, уменьшение его толщины и пробой по электрическому или тепловому механизму.

Дата добавления: 2017-01-13